3.6. Тепловой баланс и кпд парового котла

потери теплоты в паровом котле

Производство пара в паровом котле, как любой другой процесс трансформации энергии, сопровождается неизбежными потерями тепла. Эффективность использования тепловой энергии топлива, сгораемого в топке, характеризуется коэффициентом полезного действия котла – КПД.

Для определения КПД котла обычно составляются уравнения теплового баланса, представляющие собой соотношения между приходом и расходом теплоты в котле. Тепловой баланс принято составлять относительно 1 кг сжигаемого топлива для установившегося режима работы котла.

Рис. 29. Приход и расход теплоты в паровом котле (к уравнению теплового баланса).

Согласно закону сохранения энергии, между приходом и расходом теплоты в котле должно существовать равенство. Рассмотрим уравнение теплового баланса для котла с вентиляторным дутьем с пароперегревателем и экономайзером (без воздухоподогревателя).

В топку котла (рис. 29) с 1 кг топлива вносится следующее количество теплоты, [кДж/кг]:

• – низшая теплота сгорания топлива;

• – теплота подогретого топлива;

• – теплота воздуха, подаваемого в топку для сжигания 1 кг топлива;

• – теплота пара, внесенного в топку в паромеханических форсунках для распыливания топлива.

где:

– средние удельные теплоемкости топлива и воздуха, [кДж/кг^оС];

и – температуры топлива и воздуха, соответственно, [^оС];

– коэффициент избытка воздуха;

– теоретически необходимый объем воздуха для сжигания 1 кг

топлива, [м³];

– расход пара на распыливание топлива в паромеханической

форсунке, [кг/кг];

– энтальпия пара, подаваемого на распыливание топлива, [кДж/кг];

– энтальпия пара, содержащегося в уходящих из котла продуктах

сгорания, [кДж/кг].

Суммарная теплота, вносимая с различными средами в паровой котел, называется располагаемой теплотой:

Полезно использованной теплотой – , считается теплота, отобранная из котла с паром. Для котлов с одновременным отбором насыщенного и перегретого пара она состоит из суммы полезной теплоты, отобранной из котла с насыщенным паром – , и полезной теплоты, отобранной из котла с перегретым паром – :

где:

и – количество перегретого и насыщенного

(со степенью сухости – ) пара, отбираемого из котла, [кг/час];

, и – энтальпии перегретого, насыщенного со степенью сухости –

пара и питательной воды, [кДж/кг];

– расход топлива, [кг/час].

Остальная часть располагаемого тепла уходит из котла в виде потерь:

• – энтальпия уходящих газов, [кДж/кг];

• – потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива;

• – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;

• – теплота, рассеиваемая в окружающее пространство через обшивку и

изоляцию котла, [кДж/кг];

где:

, и – объем [м³], теплоемкость [кДж/кг^оС] и температура [^oC] газов, уходящих из котла.

Таким образом, приходно-расходное выражение теплового баланса парового котла имеет вид:

располагаемая теплота

полезная теплота

потери теплоты

или, применительно к :

Выражение, находящееся в скобках, называется потерей теплоты с уходящими газами – :

С учетом этого, уравнение теплового баланса парового котла примет вид:

Потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива – характерны для котлов с угольным отоплением и практически отсутствуют в котлах, работающих на жидких сортах топлива – мазутах, что свидетельствует о высоком совершенстве организации топочных процессов в судовых и корабельных паровых котлах. Поэтому этим членом уравнения теплового баланса часто пренебрегают.

КПД котла можно определить, как отношение полезно использованной теплоты к теплоте сгорания топлива:

, [%]

а выразив полезно использованную теплоту через паропроизводительность котла, получим выражение для КПД:

, [%]

Рис. 30. Диаграмма теплового баланса для котла с вентиляторным дутьем

(без воздухоподогревателя).

Уравнение теплового баланса и распределение потоков теплоты в котле можно изобразить графически (рис. 30).

Полезно использованная теплота в котле складывается из теплоты, ушедшей на испарение воды в лучевоспринимающих – , и конвективных – поверхностях нагрева; теплоты, ушедшей на перегрев пара в пароперегревателе – , и на подогрев воды в экономайзере – . Таким образом значение полезной теплоты можно выразить, как:

[кДж/кг]

В каждой части котла имеются свои потери теплоты в окружающую среду. Общая потеря теплоты на охлаждение котла – является суммой частных потерь: в топке, испарительной части котла, пароперегревателе и экономайзере:

[кДж/кг]

Таким образом, для каждой части котла (топки, испарительной, перегревательной и экономайзерной) можно составить частные уравнения теплового баланса. С учетом частных уравнений теплового баланса, КПД котла можно выразить следующей формулой:

где:

– теоретическая энтальпия продуктов сгорания топлива (без потерь на механический и химический недожог):

[кДж/кг]

– коэффициент удержания тепла в котле, учитывающий охлаждение обшивки котла (теплообмен с внешней средой) в районах топки, испарительных поверхностей нагрева, пароперегревателя и экономайзера.

Потери теплоты с уходящими газами – являются максимальными из всех потерь теплоты в котле и составляют:

• 4 ÷ 25 % от – для котлов с вентиляторным дутьем;

• 8 ÷ 16 % от – для высоконапорных котлов.

В связи с этим потеря теплоты с уходящими газами главным образом определяет экономичность работы котла и его КПД. Потери теплоты растут с ростом объема продуктов сгорания – , получающихся при сжигании 1 кг топлива (т. е. с ростом коэффициента избытка воздуха – ), и с ростом температуры уходящих газов – .

Физический смысл роста потери с ростом и заключается в том, что избыточный воздух, введенный в топку, или попавший через неплотности, выбрасывается в атмосферу с температурой , унося с собой то количество тепла, которое израсходовано на его нагрев до этой температуры.

Температура уходящих газов в работающем котле зависит от нагрузки котла и от чистоты поверхностей нагрева. Чем больше сажистых и накипных отложений на поверхностях нагрева котла, тем хуже условия теплопередачи, тем с более высокой температурой газы покидают котел, увеличивая значение потери .

Потери теплоты от химической неполноты горения топлива – имеют место в том случае, если в процессе сжигания топлива наряду с продуктами полного горения: , и , образуются газообразные продукты неполного горения: , и др.

Обычно эти потери составляют величину 0,5 ÷ 1,0 % от , в зависимости от типа используемых топочных устройств и нагрузки котла.

Потеря может увеличиться по сравнению с расчетной:

• при слишком малом коэффициенте избытка воздуха;

• при большом содержании влаги в топливе и его низкой температуре;

• при большом содержании в топливе золы и механических примесей;

• при плохом распыле топлива и недостаточном его перемешивании с воздухом;

• при слишком большой производительности отдельных форсунок (износ распылителей);

• при неправильной центровке и установке форсунок по отношению к фурмам;

• при малом объеме топочного пространства, недостаточном для завершения процесса горения топлива.

Потери теплоты в окружающую среду – определяются количеством тепла, которое передается в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией наружными нагретыми поверхностями котла, газоходов, арматуры, коллекторов.

Для уменьшения этих потерь наружная обшивка котла и все его нагретые части покрываются изоляцией. Роль изоляции также выполняет воздушный зазор между наружным и внутренним кожухами котла.

Потери теплоты в окружающую среду минимальны на полных нагрузках котла и увеличиваются при снижении нагрузки до минимальной. Потеря максимальна для котла, находящегося в горячем резерве.